間接蒸發冷卻在濕熱地區數據中心的節能分析

馬曉晨,石文超,楊洪興

(香港理工大學 建筑環境與能源工程系,中國 香港 999077)

0 引 言

隨著5G、云計算和數字化轉型的快速發展,大型數據中心已成為新的基礎設施建設的重點。作為現代信息社會的重要基礎設施之一,數據中心為企業和個人提供數據存儲、處理和傳輸等服務,其建設規模和數量不斷增長[1]。從2000年到2005年,世界各地數據中心的用電量翻了一番,盡管2008年金融危機導致全球經濟放緩,但從2005年到2010年,該能耗仍提高了約56%[2]。截至2021年,美國擁有2 670個數據中心,位列世界第一,英國(452個)、德國(443個)和中國(416個)數據中心的數量也比較龐大,且還在增加[3]。因此,數據中心的建設與運營面臨著越來越嚴峻的節能減排壓力,需要尋求可行的技術方案和管理策略來實現節能減排的目標。

數據中心作為一個集中了大量電子信息設備的建筑場所,往往表現出較高的熱密度,需要高效、不間斷的制冷來消除由此產生的大量熱量[4]。隨著IT設備的技術進步,數據中心的溫度和環境標準有所放寬,這也為自然冷卻創造了條件[5]。作為一種自然冷源,間接蒸發冷卻技術(IEC)在數據中心得到了廣泛應用,其工作模式有3種[6]:當設備在干模式下運行時,只有送回風機被打開;在濕模式下,支持噴淋的循環水泵也開始運行;而在混合模式下,除了上述2種模式所需的設備外,還需啟動直膨式空調(DX)[7]。這3種運行模式需要結合當地氣象參數進行調整,從而在滿足室內溫度控制的基礎上實現節能的目標。雖然IEC已經顯示出優越的節能效果,但對于常年高溫高濕地區(例如香港特區),IEC的應用受到較大的限制。為了進一步探討高溫高濕地區數據中心應用IEC技術的研究,褚俊杰等提出了數據中心間接蒸發自然冷卻潛力評價計算新方法,并得出廣州地區采用風側間接蒸發冷卻小時數為4 000 h[8]。杜妍等通過模擬露點間接蒸發冷卻空調機組將空氣處理至接近或低于濕球溫度的值,使其以自然冷卻的形式所提供的制冷量時間高達6 600 h[9]。武茁苗等通過分析不同運行模式下間接蒸發冷卻空調的能耗,發現廣州市干、濕、混合模式的運行時長占比分別為21%、15%、64%,而節電率分別為36%、31%、18%[7],但該技術在香港數據中心的應用還鮮有研究。與廣州相比,香港四面環海,海水熱容大,海洋性氣候明顯,北下的寒流進入更晚。在IEC的應用方面廣州所承擔的顯熱冷量更大,而香港室內需要使用風機盤管的能耗更大[10]。此外,液體除濕器(LDD)可以成為輔助單元,通過降低新風的濕球溫度以延長IEC系統的有效運行時間[11-13]。為此,本文基于Matlab和EnergyPlus,開發了IEC-DX和LDD-IEC-DX系統,分析并對比了它們用于熱濕地區數據中心的能耗,可為IEC用于熱濕地區數據中心提供一定參考。

1 LDD-IEC-DX系統工作原理

1.1 間接蒸發冷卻系統工作原理

傳統IEC主要由一次空氣通道(干通道)和二次空氣通道(濕通道)2部分組成,一次空氣主要是室外空氣,二次空氣可以是室外空氣也可以是室內排風。而當IEC空調系統用于數據中心時,則是通過引入室外新風來間接冷卻室內回風,具體氣流流向如圖1所示[14]。在二次空氣通道中,新風通過與水膜直接接觸近似等焓降溫帶走潛熱,從而冷卻通道壁面,有利于相鄰干通道中的一次空氣溫降。同時,在一次空氣通道中,一次氣流流經被冷卻的通道壁面完成熱交換,以達到等濕冷卻的效果[15-16]。該系統的關鍵影響因素是室外環境的干球溫度和濕球溫度的差值,因此在高濕地區機組的噴淋冷卻效果有限,IEC系統需要機械補冷的運行時間更長[17]。

圖 1 IEC空調系統在數據中心的布置Fig.1 The arrangement of IEC AC system in DCs

1.2 太陽能輔助除濕系統的工作原理

作為一種可持續性的空調技術,IEC已經廣泛應用于干熱地區的數據中心且具有明顯的節能效果。然而在濕熱地區,室外新風需要經過除濕才能保證一定的干濕球溫度差,因此為數據中心的IEC空調系統加裝LDD是一種值得研究的方案。依照本組之前的研究發現,在以香港為代表的濕熱氣候地區,通過LDD將濕熱的新鮮空氣先除濕,再通入IEC進行顯熱冷卻有助于提高空調系統的節能率[18]。故本文以此為基礎,針對數據中心將新風作為工作氣流的特點,新風經LDD除濕后通入IEC的濕通道用于間接冷卻相鄰干通道流經的室內回風。同時,將太陽能集熱器捕獲的熱能用于干燥劑溶液再生。

圖2是LDD-IEC空調系統用于數據中心的系統原理圖,該系統由3部分組成:用于預除濕處理新風的太陽能輔助LDD系統、用于新風冷卻回風的IEC系統,以及用于補冷的DX裝置[19]。包括太陽能集熱器、除濕器、再生器、冷卻塔、IEC和DX裝置等6個主要部件。太陽能收集器捕獲的熱量通過水/溶液熱交換器將干燥劑溶液再生。如果熱能不足以再生,輔助加熱器將運行。儲罐用于儲存多余的熱量。由于高入口溶液溫度可導致低除濕,故冷卻塔將通過溶液/水熱交換器冷卻干燥劑溶液。室外的新鮮空氣經除濕器預除濕后通入IEC的濕通道內進行蒸發冷卻,相鄰干通道內的室內回風被冷卻后作為供應氣流被送入室內。當環境空氣溫濕度超出LDD-IEC單元的冷卻范圍時,啟動機械補冷裝置用以送風降溫[18]。

圖 2 LDD-IEC空調系統在數據中心的布置Fig.2 The arrangement of LDD-IEC AC system in DCs

1.3 方法

在LDD-IEC空調系統中,每個組件的模型都單獨建立,再根據參數的入口和出口關系進行整合,以方便系統模擬。采用一維有限差分模型進行除濕器/再生器分析,熱量和質量傳遞過程遵循能量和質量守恒方程,即

1) 質量守恒方程

mf,Ddωf+dmso=0

(1)

2) 能量守恒方程

mf,Ddif+d(isomso)=0

(2)

3) 顯熱交換方程

mf,Dcpadtf=d(tso-tf)dA

(3)

4) 總熱交換方程

(4)

式中:mf,D為LDD的新風流量;ωf為新風的含濕量;mso為干燥劑溶液的流量;if為新風的焓值;iso為干燥劑溶液的焓值;cpa為空氣比熱容;tf為新風的溫度;tso為干燥劑溶液的溫度;hmf為新風的傳質系數;isat為飽和空氣的焓值;hf為新風的傳熱系數。

系統中的工質是氯化鋰(LiCl),其溶液的比熱容是溶液溫度和溶液質量分數的函數,根據文獻[20]計算。IEC的模型則是在2個通道的能量和質量平衡的基礎上建立的,例如:

1)二次空氣的熱平衡

hs(tw-ts)dA=cpams,Edts

(5)

2)二次空氣的能量平衡

hms(ωsat-ωs)dA=ms,Edωs

(6)

3) 一次空氣的熱平衡

hf(tf-tw)dA=cpamf,Edtf

(7)

4) 蒸發水膜的質量平衡

dmew=msdωs

(8)

5) 總能量平衡方程

msdis-cpamf,Edtf=d(cpwtewmew)

(9)

6) 一次空氣和二次空氣的質量流速滿足關系

ms=r2·mf,E

(10)

假設Lewis關系得到滿足,并且Lewis數在空氣和水相互作用的表面上是統一的,就可以得到傳質系數(hms)。根據干燥劑除濕和再生過程的質量平衡,除濕器中的空氣水分損失等于再生器中的空氣水分增加。

mf,D(ωf,D-ωf,D,out)=mf,E(ωf,E,out-ωf,E,in)

(11)

式中:hs為二次風的傳熱系數;mf,E為IEC的新風流量;ms,E為IEC的二次風流量;hms為二次風的傳質系數;ωsat為飽和空氣的含濕量;ωs為二次風的含濕量;hs為新風的傳熱系數;ts為二次風的溫度;tw為墻壁的溫度;mew為蒸發水膜的質量;ms為二次風的質量;is為二次風的焓值;tew為蒸發水膜的溫度;r2為IEC的抽氣比。

1.4 系統模型框架

利用圖3所示的框架建立系統模型。首先,通過Sketchup軟件建立數據中心的建筑模型,并為其基本圍護結構,內部增益等賦予基本信息。隨后,基于Openstudio 的工作臺為建筑模型劃分熱區,以獲得完整的建筑概況并導入Energyplus。利用Energyplus則可以分配空調系統中的不同模塊,并在建筑物中進行全年的能耗模擬。本文所輸入Energyplus中的氣象數據來源于香港天文臺的最新信息。其中,IEC的運行情況如濕球效率和除濕率曲線則是通過自行寫入Matlab軟件中代碼生成的。

圖 3 仿真模型框架Fig.3 The framework of simulation model

1.5 評估指標

為了評估IEC-DX系統和LDD-IEC-DX對濕熱地區的數據中心制冷能耗的降低程度,以節能強度為評估指標,對比2種優化系統與傳統空調系統產生的能耗,具體計算方程為

(12)

(13)

式中:EAC為基準空調系統的能耗;EID為IEC-DX系統的能耗;ELID為LDD-IEC-DX系統的能耗;φ為采用IEC-DX系統的節能強度;φ′為采用LDD-IEC-DX系統的節能強度。

2 實例模擬

為了分析實際情況下,IEC-DX系統以及LDD-IEC-DX系統對于濕熱地區數據中心制冷的節能效果,本文以處于香港氣候環境下的大型數據中心為例進行具體的能耗模擬分析。

2.1 建筑概況

根據文獻[21-22]對建筑物中部分物理參數及內部增益參數的規定,設計了占地面積為1 500 m2的數據中心建筑施工參數,如材料、厚度、墻壁、屋頂和窗戶的U值(見表1)和內部增益(照明3.5 W/m2、IT設備400 W/m2)參數。

表 1 建筑物的物理參數

2.2 運行工況

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》和T/DZJN 10—2020《數據中心蒸發冷卻空調技術規范》的相關規定,本文規定數據中心機房送風溫度和濕度分別為25 ℃和60%,而回風溫度為36 ℃。

3 結果與討論

3.1 室外空氣條件

香港位于我國南部,屬于亞熱帶濕潤氣候。圖4顯示了香港全年的室外氣溫和相對濕度變化情況。可以看出: 高溫主要出現在6月—8月,最高溫度約為35 ℃,而最低溫度則出現在12月、1月、2月。由于香港四面環海,相對濕度明顯高于內陸,除冬季外,全年的相對濕度在50%～95%之間波動。

SVD法所得到的矩陣奇異值,具有唯一性、穩定性和比例不變性等性質.奇異值降噪的關鍵因素是確定重構相空間的階數和矩陣重機分離階數.

圖 4 全年溫濕度變化Fig.4 The changes of annual temperature and humidity

3.2 IEC空調系統的節能分析

模擬基于文獻[23-24],規定IEC空調系統在環境空氣干球溫度不高于16 ℃的情況下以干模式運行,此時室內回風和室外新風直接進行顯熱交換。當干球溫度超過16 ℃且濕球溫度低于18 ℃時,IEC機組以濕模式運行,供水系統被開啟。在濕膜式下,水膜在二次氣流通道中蒸發并與新風進行熱交換,而相鄰的干通道內的冷卻空氣則被送入室內。在香港,5月之后的環境空氣相對濕度過高,新風濕球溫度急劇上升,直到10月份才有所下降。此時,數據中心的IEC機組以混合模式運行,DX單元為IEC系統補冷以維持室內環境。

圖5為2種空調系統的節能效果對比。可以看出:在溫度較低且干燥的11月—4月,IEC系統的節能效果更加顯著,然而進入相對濕度較高的5月—10月,IEC空調系統的節能效果則有所下降。總體而言,IEC系統的年能耗降低了16.5%。需要注意的是,在高濕情況下,IEC空調系統的效率受到了較大影響,因此添加除濕單元是值得考慮的方案。

圖 5 2種空調系統的能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis of two AC systems

3.3 IEC-LDD空調系統的節能分析

作為一種依靠太陽能為原動力的除濕裝置,太陽能輔助除濕系統具有運行成本低、環保節能和可持續性等優點,是一種行之有效的除濕單元。將LDD與IEC空調系統相結合,可以在第一環節對新風進行預除濕,降低新風的相對濕度和濕球溫度。基于文獻[18],除濕量在太陽能集熱板為50 m2時可以達到12 g/kg,由此可以大幅增加IEC空調系統以濕模式運行的時間,同時縮短DX補冷的時長,從而大大降低能耗,提高能源利用效率。具體運行時長的變化如圖6所示。

圖 6 IEC空調系統運行模式時長分布Fig.6 Time distribution of IEC AC system operating mode

從圖6可以看出:在系統以干模式運行時長不變的情況下,IEC空調系統濕模式運行所占比例增加了35.9%,混合模式的運行時間減少了35.6%。由于系統全年以濕模式占比的時間增長,故年能耗相較傳統機械制冷和IEC空調系統分別降低了33.3%和20.1% (見圖7)。此外,因高濕地區干濕球溫差小而導致6月—9月IEC的功效較低,則能耗與原系統相近。增設LDD單元后得益于除濕環節的啟用,系統能耗即使在夏季也顯著降低。

圖 7 3種空調系統的能耗分析Fig.7 Energy consumption analysis of three AC systems

圖8為使用LDD輔助IEC空調系統的全年不同運行模式的占比情況。可以看出:在氣溫較低且干燥的12月—2月,僅依靠IEC運行即可承擔數據中心內的所有負荷,此時只有水泵和風機運行以消耗能量。其中,由于1月份氣溫小于16 ℃的天數較多,IEC以干模式運行的時長更長,水泵功耗較低,因此總能耗減小。當進入3月后,隨著環境溫濕度的逐漸攀升,新風的濕球溫度已經超過IEC冷卻處理的最高限度,此時需要開啟LDD單元。室外空氣流經LDD通道被除濕后再送入IEC濕通道用于水膜蒸發,維持LDD系統正常運行的部分能耗也需要被考慮。

圖 8 空調系統不同運行模式的占比情況Fig.8 The proportion of different operating modes of the AC system

此外,由于LDD系統的除濕程度有限,當室外空氣經過最高限度的除濕后,IEC的送風溫度仍然不能滿足數據中心的送風溫度要求時,DX將作為補冷單元參與到整個制冷系統中。在每年的7月,DX需要消耗大量的電能以處理高溫空氣,導致該月份的總能耗也達到每年的最高值。總的來說,相較于全年純機械制冷所產生的能耗而言,LDD輔助IEC空調系統的節能效果非常可觀。

但是,太陽能輔助除濕系統的應用受到地區氣候條件的限制,該系統在運行時需要大量的太陽輻射以能產生足夠的熱量,在陽光不夠充足的地區可能效果不佳。對于香港地區,文獻[25]可以證明,太陽能輻射度尤其在日間時能夠滿足對除濕溶液濃度提升的需求。此外,香港地區的太陽輻射照度可達1 500 MJ/m2,且被鼓勵就地增加太陽能能源使用程度[26]。然而,從經濟性方面考慮,太陽能輔助除濕技術需要較高的初始投資以及維護成本,包括太陽能收集器、傳熱系統、控制系統的設計安裝以及定期的維護和保養。這些成本可能會影響到系統的實際效益和經濟性。因此,在選擇太陽能輔助除濕系統時,需要考慮地區的氣候條件、經濟實力和維護成本等因素,綜合評估其可行性和實際效果。

4 結 論

2) 借助LDD系統預處理新風可以降低新風含濕量及濕球溫度,使得IEC在濕模式下的運行時長增加35.9%,混合模式的運行時間減少35.6%。

3) IEC-LDD空調系統在IEC空調系統的基礎上將年能耗又降低了20.1%,相較于傳統機械制冷則降低了33.3%的能耗,體現了該系統在濕熱地區的數據中心中顯著的節能減排潛力。

4) 在IEC-LDD空調的實際應用中,需要考慮太陽能集熱系統的地域局限性,由于再生所需的補熱對系統能耗的影響仍有待探討。